способ создания изображения под поверхностью изделия и аппаратура для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ создания изображения под поверхностью изделия или его части, выполненной из полимерного материала, заключающийся в том, что изображение формируют из областей повышенного поглощения электромагнитного излучения, создаваемых при воздействии на материал сфокусированным внутри него электромагнитным излучением, которое вызывает химические реакции, превращающие полимерный материал в композицию, отличную по своему составу от исходного материала, при интенсивности излучения меньшей интенсивности, необходимой для ионизации материала, отличающийся тем, что изображение формируют из областей повышенного поглощения электромагнитного излучения, имеющих вид различных фигур, причем каждую отдельную фигуру создают с помощью излучения с распределением интенсивности, соответствующим форме и размеру создаваемой фигуры, при однократном или многократном воздействии излучения, направляемом на одну и ту же часть материала.

2. Аппаратура для создания изображения под поверхностью изделия или его части, выполненной из полимерного материала, содержащая источник проникающего электромагнитного излучения, обеспечивающий в зоне воздействия излучения на материал плотность энергии излучения, вызывающую химические реакции, которые превращают полимерный материал в композицию, отличную по своему составу от исходного материала, при интенсивности излучения меньшей интенсивности, необходимой для ионизации материала, фокусирующее устройство, систему, обеспечивающую взаимное перемещение области фокусировки пучка излучения и изделия, блок управления, отличающаяся тем, что она снабжена фокусирующим устройством, которое содержит набор как минимум из двух различных оптических преобразователей, формирующих под поверхностью материала сфокусированный пучок излучения с распределением интенсивности, соответствующим форме и размеру создаваемой фигуры, причем сменные преобразователи закреплены в подвижном держателе, приводимом в движение механизмом, обеспечивающим поочередное совмещение оптической оси пучка излучения с оптической осью одного из преобразователей, а система, обеспечивающая взаимное перемещение области фокусировки пучка излучения и изделия, включает устройство для трехмерного перемещения изделия и устройство для одномерного перемещения фокусирующего устройства, которые связаны с блоком управления.

3. Aппаратура по п.2, отличающаяся тем, что она содержит по крайней мере один оптический преобразователь исходного пучка излучения в фокусированный под поверхностью материала пучок излучения в виде линии.

4. Аппаратура по п.2, отличающаяся тем, что набор оптических преобразователей содержит по крайней мере три цилиндрические линзы, образующие цилиндрических поверхностей которых ориентированы под углом друг к другу.

5. Аппаратура по п.2, отличающаяся тем, что набор оптических преобразователей содержит по крайней мере один преобразователь исходного пучка излучения в фокусированный под поверхностью материала пучок излучения в виде знакового символа.

6. Аппаратура по п.2, отличающаяся тем, что держатель набора оптических преобразователей выполнен в виде подвижной пластины, а механизм, обеспечивающий смену преобразователей с одновременным обеспечением совмещения оптической оси пучка излучения с оптической осью преобразователя, включает корпус с фиксатором и электромеханическое устройство, обеспечивающее продольное перемещение держателя в пазах корпуса.

7. Аппаратура по п.2, отличающаяся тем, что держатель набора оптических преобразователей выполнен в виде диска, по периметру которого расположены оптические преобразователи, а механизм, обеспечивающий смену преобразователей с одновременным обеспечением совмещения оптической оси пучка излучения с оптической осью преобразователя, выполнен в виде ротатора диска.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к методам и оборудованию для создания изображения под поверхностью обрабатываемого изделия, по крайней мере часть которого выполнена из полимерного материала. Изобретение может быть использовано для маркировки изделий изображениями в виде баркода, надписи, рисунка, а также для создания художественных и сувенирных изделий из полимерного материала.

Подповерхностная маркировка предпочтительнее маркировки на поверхности, поскольку сохранность последней может быть легче нарушена при эксплуатации изделия. Известны способы и аппаратура [патент США 5206496] для подповерхностной маркировки изделия, в частности из полимерного материала, путем создания метки в результате локальной ионизации материала под действием лазерного луча, сфокусированного в точке. Требуемую метку формируют, создавая в материале совокупность точечных областей с повышенным поглощением электромагнитного излучения.

Аппаратура, используемая в этом способе [патент США 5206496], содержит подвижные зеркала на пути лазерного луча, что обеспечивает последовательное перемещение точки фокусировки луча внутри изделия.

В точке фокусировки при локальной ионизации вещества происходит резкий локальный нагрев без существенного разогрева окружающего материала, что приводит к возникновению механических напряжений внутри объема материала вплоть до появления видимых трещин и разрушения.

Согласно способу [PCT/RU9600068] для изделий, в которых по крайней мере часть их выполнена из полимерного материала, риск механического разрушения из-за лазерной маркировки сведен к минимуму, поскольку используют лазерное излучение, интенсивность которого меньше порогового значения, вызывающего локальную ионизацию. При этом изображение формируют из темных точечных областей, образуемых под действием сфокусированного электромагнитного излучения, превращающего полимерный материал в композицию, отличную по своему составу от исходного материала.

При этом, чтобы обеспечить перемещение точки фокусировки, используемая в способе [PCT/RU9600068] аппаратура включает как объектив, перемещаемый вертикально относительно изделия, так и подвижный в горизонтальной плоскости столик, на котором располагают маркируемое изделие. Однако и в этом случае создаваемое изображение формируют из отдельных точечных областей в качестве составляющих, что не позволяет достичь необходимго быстродействия. Например, как показал опыт, рисунок хорошо считываемого типичного баркода должен содержать 15000-20000 точек. Так как у лазеров, подходящих для создания хорошо видимой точки, частота повторения импульсов в настоящее время не превышает 100 Гц, то легко оценить, что время, необходимое для создания состоящего из точек баркода, будет составлять не менее 3-4 мин, что во многих случаях современного автоматизированного производства недопустимо.

Целью заявляемого изобретения является увеличение скорости подповерхностной маркировки в полимерном материале за счет формирования изображения не из точечных областей, а из более крупных составляющих, называемых в дальнейшем фигурами. В рамках задачи, решаемой данным изобретением, термин "фигура" означает любой фрагмент изображения, включая линию произвольной формы и размера, а также часть плоскости, ограниченную замкнутой линией, например пятнышко (любых размеров, включая точку), а также любые знаковые символы.

Поставленная цель достигается тем, что в способе создания изображения под поверхностью изделия или его части, выполненной из полимерного материала, заключающемся в том, что изображение формируют из областей повышенного поглощения электромагнитного излучения, создаваемых при воздействии на материал сфокусированным внутри него электромагнитным излучением, которое вызывает химические реакции, превращающие полимерный материал в композицию, отличную по своему составу от исходного материала, при интенсивности излучения, меньшей интенсивности, необходимой для ионизации материала, согласно изобретению изображение формируют из областей повышенного поглощения электромагнитного излучения, имеющих вид различных фигур, причем каждую отдельную фигуру создают с помощью пучка излучения с распределением интенсивности, соответствующим форме и размеру создаваемой фигуры, при однократном или многократном воздействии излучения, направляемом на одну и ту же часть материала.

Поставленная цель достигается также тем, что аппаратура для создания изображения под поверхностью изделия или его части, выполненной из полимерного материала, содержащая источник проникающего электромагнитного излучения, обеспечивающий в зоне воздействия излучения на материал плотность энергии, вызывающую химические реакции, которые превращают полимерный материал в композицию, отличную по своему составу от исходного материала, при интенсивности излучения, меньшей интенсивности, необходимой для ионизации материала, фокусирующее устройство, систему, обеспечивающую взаимное перемещение области фокусировки пучка излучения и изделия, блок управления, согласно изобретению снабжена фокусирующим устройством, которое содержит набор как минимум из двух различных оптических преобразователей, формирующих под поверхностью материала сфокусированный пучок излучения с распределением интенсивности, соответствующим форме и размеру создаваемой фигуры, причем сменные преобразователи закреплены в подвижном держателе, приводимом в движение механизмом, обеспечивающим поочередное совмещение оптической оси пучка излучения с оптической осью одного из преобразователей, а система, обеспечивающая взаимное перемещение области фокусировки пучка излучения и изделия, включает устройство для трехмерного перемещения изделия и устройство для одномерного перемещения фокусирующего устройства, которые связаны с блоком управления.

В наборе из двух преобразователей один из них обеспечивает преобразование пучка излучения в линию, а второй - в точку или в другом варианте второй преобразователь может быть выполнен в виде фокусатора.

Именно использование в заявляемой аппаратуре набора сменных оптических преобразователей, обеспечивающих согласно способу за один акт воздействия излучения создание под поверхностью материала каждой отдельной фигуры, совокупность которых формирует изображение, и позволяет достичь цели изобретения - существенного увеличения скорости формирования изображения под поверхностью материала. При этом блок управления заявляемой аппаратуры обеспечивает возможность серии однократных воздействий излучения на одну и ту же часть материала, что позволяет использовать аппаратуру для получения полутоновых изображений.

Известно, что современные методы геометрической и волновой оптики позволяют производить практически любые преобразования исходного пучка излучения в пучки с заданным распределением интенсивности. Так, например, использование цилиндрических линз позволяет преобразовать излучение в полоски разной длины и ширины, а сложные фокусирующие устройства, состоящие из нескольких отражающих [патент РФ 2034687] или преломляющих оптических элементов, способны преобразовывать исходный пучок излучения в отрезки прямых или изогнутых линий, а также в плоские фигуры разной конфигурации с различным распределением интенсивности в их пределах. Использование адаптивных элементов и различных фазовых пластинок, называемых фокусаторами, позволяет преобразовать исходный пучок излучения в пучок с распределением интенсивности, соответствующей форме и размеру любой требуемой фигуры.

Однако, чтобы создать фигуру под поверхностью материала, необходимо не только преобразовать пучок излучения с исходным распределением интенсивности на выходной апертуре источника излучения в сфокусированный под поверхностью материала пучок с распределением интенсивности, соответствующей форме и размеру создаваемой фигуры. Необходимо также, чтобы при этом плотность энергии излучения в пределах заданного пучка в зоне взаимодействия была бы постоянной и достаточной для протекания в полимерном материале реакций, приводящих к образованию видимой под поверхностью материала фигуры, а интенсивность пучка в области взаимодействия и на поверхности обрабатываемого изделия была бы меньше значений, при которых происходит ионизация (оптический пробой) полимерного материала или воздуха вблизи его поверхности. Переход от "точечной" области взаимодействия к области в виде фигуры, то есть в виде отрезка линии произвольной формы или в виде плоскости, ограниченной замкнутой линией, при той же плотности энергии пучка излучения требует изменения энергии и мощности излучения, но не изменяет необходимую интенсивность пучка в зоне взаимодействия и, таким образом, не приводит к нежелательному пробою (ионизации) материала. Однако очевидно, что переход к созданию линейных или плоских фигур, составляющих изображение, при сохранении плотности энергии пучка излучения в зоне взаимодействия приводит к росту интенсивности используемого пучка на поверхности изделия. Это вызвано тем, что при фокусировке пучка излучения в точку его интенсивность на поверхности ослабевает приблизительно пропорционально h^-2 относительно интенсивности в зоне взаимодействия, где h - глубина, на которой создается изображение. В случае преобразования излучения в линейную фигуру эта зависимость ослабевает и становится пропорциональной h^-1. В случае же преобразования излучения в плоскую фигуру интенсивность пучка практически зависит от h еще слабее.

Возрастание интенсивности излучения на поверхности полимерного материала может приводить к пробою (ионизации) воздуха вблизи поверхности и ее частичному разрушению, что недопустимо при создании изображения под поверхностью. По этой же причине поставленную задачу вряд ли можно решить с помощью маски.

Тем не менее неожиданно оказалось, что, используя в разработанной нами аппаратуре известные преобразователи, изображение, сформированное из отдельных фигур в качестве составляющих, можно создать под поверхностью полимерного материала.

В ряде случаев при соответствующем подборе параметров взаимодействия хорошо видимые фигуры под поверхностью полимерного материала можно создать в результате воздействия одним импульсом излучения. Однако, как оказалось, хорошо видимые фигуры, расположенные под поверхностью изделия, удается создать и, воздействуя на одну и ту же область материала несколькими импульсами излучения с более низкой энергией, а следовательно, и с более низкой интенсивностью излучения на поверхность изделия в каждом из импульсов.

Такой режим воздействия позволяет получать хорошо видимую фигуру даже в тех случаях, когда одиночное, но более мощное воздействие излучения вызывает ионизацию (пробой) воздуха на поверхности материала. Помимо этого в таком режиме, изменяя число актов воздействия излучения на одну и ту же область материала, можно изменять оптическую плотность отдельных фигур изображения, то есть создавать полутоновые изображения.

Следует подчеркнуть, что многократное воздействие на одну и ту же область материала излучением, вызывающим локальную ионизацию, просто разрушит материал.

В качестве полимерных материалов при осуществлении способа используют, в частности, материалы на основе поликарбонатов, сополимеров акрилонитрила с метилметакрилатом, сополимеров акрилонитрила с бутадиеном и стиролом, полиуретанов, различных политетрафталатов, полимеров капролактама, полиолефинов, в частности, полипропилена, поливинилхлорида, полимеров и сополимеров фторсодержащих олефинов.

В результате прохождения исходного пучка излучения через оптический преобразователь он фокусируется под поверхностью материала в пучок излучения с распределением интенсивности, соответствующей форме и размеру создаваемой фигуры. Полимерный материал в области фокусировки (в виде соответствующей фигуры) превращается в композицию продуктов в результате химических превращений полимера под действием излучения.

Примеры осуществления способа.

Пример 1.

Изображение под поверхностью изделия из поликарбоната (марка Cyrolon) создают, используя в качестве источника излучения YAG лазер с модулированной добротностью, с длиной волны излучения 1,06 мкм. Максимальная частота повторения импульсов 50 Гц. Длительность лазерного импульса излучения 10^-9 с. Энергия импульса излучения E=300 мДж. Излучение фокусируют на глубине 2 мм от поверхности материала.

В результате прохождения исходного пучка лазерного излучения через преобразователь, состоящий из сферической линзы и диафрагмы с круглой апертурой, за один импульс создают фигуру в виде круга с диаметром 4 мм. В области воздействия излучения (в круге) плотность энергии составляет 2,3 Дж/см², а интенсивность - 310⁸ Вт/см².

Воздействуя излучением с указанными параметрами 1,2,3,4 и 5 раз на область круга, созданного при первом однократном воздействии, добиваются более интенсивной окраски круга.

Пример 2.

Изображение под поверхностью изделия из сополимера тетрафторэтилена с перфторалкилвиниловым эфиром (марки PFA) создают, используя в качестве источника излучения YAG лазер с модулированной добротностью, генерирующий основную (1,06 мкм) гармонику излучения с длительностью импульса 710^-9 с. Расходимость излучения лазера близка к дифракционной. Максимальная частота повторения импульсов составляет 50 Гц. Энергия лазерного излучения составляет 120 мДж. Излучение фокусируют на глубине 1,5 мм от поверхности материала.

В результате прохождения исходного пучка лазерного излучения через преобразователь, состоящий из плоско-выпуклой цилиндрической линзы с фокусным расстоянием 10 см и расположенной перед ней диафрагмы с прямоугольной апертурой, за один импульс создают фигуру в виде полосы длиной 10 мм и шириной около 0,1 мм. Изделие перемещают и аналогичным образом создают другие полосы, совокупность которых образует линейную часть баркода, что занимает около 10 с.

Затем производят замену преобразователя и необходимое перемещение изделия. В результате прохождения исходного пучка лазерного излучения через преобразователь, состоящий из фокусирующей сферической линзы с фокусным расстоянием 4 см и диафрагмы с круглой апертурой, изображение цифровой части баркода, состоящее из точек с размером 0,1 мм, формируют за 30 с.

Пример 3.

В условиях примера 2 при использовании второй гармоники излучения с длиной волны 0,53 мкм и энергией 100 мДж создают хорошо видимые фигуры в виде полос и цифровой части баркода за 40 с.

Блок-схема аппаратуры, используемой для реализации заявляемого способа, изображена на фиг. 1.

Аппаратура для создания изображения под поверхностью изделия или его части, выполненной из полимерного материала, содержит (фиг. 1) источник излучения 1, фокусирующее устройство, включающее подвижный держатель 2, набор закрепленных в нем сменных оптических преобразователей 3 и механизм 4, обеспечивающий смену преобразователей 3 с одновременным обеспечением совмещения оптической оси пучка излучения с оптической осью преобразователя, систему, обеспечивающую взаимное перемещение области фокусировки пучка излучения и изделия 5, которая включает устройство 6 для трехмерного перемещения изделия и устройство 7 для однокоординатного перемещения держателя, блок управления 8.

Аппаратура работает следующим образом.

Держатель 2 с преобразователями 3 перемещают, добиваясь совмещения оси пучка излучения, выходящего из источника 1 с оптической осью одного из преобразователей. Используя устройства 6 и 7, перемещают изделие 5 и фокусирующее устройство с держателем 2 соответственно, совмещая создаваемую пучком фигуру с местом ее планируемого расположения в изделии.

Затем, используя блок 8 управления, генерируют импульс излучения. Выходящее из источника 1 излучение проходит через преобразователь 3 и создает требуемую фигуру в заданном месте изделия. В результате взаимодействия излучения с веществом в области фокусировки излучения происходит изменение химического состава полимерного материала и под его поверхностью появляется хорошо видимая фигура заданной формы. После этого с помощью устройства 6 перемещают изделие 5 в новое положение и, повторяя указанные выше операции, создают ту же фигуру в новом месте под поверхностью материала.

Чтобы создать фигуру другого типа, с помощью механизма 4 перемещают держатель 2, добиваясь совмещения оси пучка излучения, выходящего из источника 1, с оптической осью другого преобразователя соответственно. Затем, используя устройства 6 и 7, перемещают изделие 5 и фокусирующее устройство с держателем 2 соответственно, совмещая создаваемую пучком новую фигуру с местом ее планируемого расположения в изделии.

Цикл операций по созданию фигур, составляющих требуемое изображение, повторяют.

В качестве механизма 4, обеспечивающего смену преобразователей 3 с одновременным обеспечением совмещения оптической оси пучка излучения с оптической осью преобразователя, может быть использован механизм на электромеханическом принципе. Ввиду известности многообразия подобных механизмов конструкция механизма 4 на фиг. 1 не раскрывается.

Схема конкретного выполнения отдельных узлов заявляемой аппаратуры и схема их взаимосвязи представлены на фиг. 2.

Источник 1, представленный на фиг. 2, включает YAG лазер 9 с модулированной добротностью, генерирующий основную (1.06 мкм) или вторую гармонику (0,53 мкм), расширяющий лазерный пучок телескоп из линз 10 и 11, и зеркало 12, обеспечивающее поворот пучка в направлении изделия.

Держатель 2 со сменными преобразователями 3 выполнен в виде плоской пластины, на которой закреплены два оптических преобразователя. Механизм, обеспечивающий движение держателя для поочередного совмещения оптической оси пучка излучения с оптической осью преобразователя, включает корпус 13 с пазами для держателя, снабженный фиксаторами (которые не изображены на фиг. 2 ввиду очевидности их выполнения) и закрепленное на корпусе электромеханическое устройство 14. Корпус 13 прикреплен к подвижному столику, обеспечивающему перемещение всего фокусирующего устройства по вертикали.

Один из оптических преобразователей 3 выполнен из расположенных друг над другом на одной оси цилиндрической линзы 15 и диафрагмы 16 с прямоугольной апертурой, причем образующая цилиндрической поверхности линзы ориентирована перпендикулярно плоскости фиг. 2. Другой оптический преобразователь состоит из расположенных друг над другом на одной оси сферической линзы 17 и диафрагмы 18 с круглой апертурой, причем площади диафрагм 16 и 18 приблизительно пропорциональны площадям создаваемых при их участии фигур.

Устройство 6 для трехмерного перемещения изделия относительно области фокусировки луча, представленное на фиг. 2, выполнено в виде подвижного столика 19, перемещаемого электромеханическим устройством 20, соединенным с блоком управления 8.

Устройство 7 для однокоординатного перемещения фокусирующего устройства, представленное на фиг. 2, выполнено в виде подвижного столика 21, перемещаемого электромеханическим устройством 22, соединенным с блоком управления 8.

Блок управления 8, представленный на фиг. 2, включает компьютер 23, программирующий генерацию излучения лазера и действия контроллера 24, управляющего перемещением столиков 19 и 21, а также держателя 2 со сменными преобразователями 3.

Аппаратура, схема которой представлена на фиг. 2, была использована при реализации способа согласно примерам 1, 2, 3.

В другом варианте конкретного выполнения заявляемой аппаратуры держатель 2 может быть реализован в виде вращающегося диска, по периметру которого расположен набор преобразователей.

Набор преобразователей может включать три преобразователя, каждый из которых состоит из цилиндрической линзы и диафрагмы с прямоугольной апертурой, причем образующие цилиндрических поверхностей линз ориентированы определенным образом относительно друг друга. Один из этих преобразователей такой же, как и описанный выше, используют для формирования линейной части баркода, а два других формирующих более короткие отрезки прямых, ориентированные под углом, используют для формирования изображений цифр и букв в баркоде из коротких прямых отрезков, как это делают в дисплеях. Это устройство позволяет сокращать время на формирование буквенно-цифровой части баркода до нескольких секунд.

В отдельных вариантах выполнения заявляемой аппаратуры набор оптических преобразователей включает как преобразователи, работающие на принципах геометрической оптики, так и преобразователи, использующие волновые свойства света.

Вариант выполнения заявляемой аппаратуры с использованием в качестве сменных оптических преобразователей набора, дающего изображения знаковых символов - цифр, букв, знаков препинания и т.п., - можно рассматривать как "лазерную печатную машинку" для "печати" текстов под поверхностью изделий из полимерных материалов.

Введение соответствующих программ в компьютер блока управления позволяет создавать полутоновые изображения, состоящие из фигур с различной яркостью.